Summary
يقدم هذا البروتوكول طرفا روبوتيا فائضا مرنا يمكن ارتداؤه مصمما للمساعدة في إعادة تأهيل الأصابع لمرضى السكتة الدماغية. يشتمل التصميم على مستشعر الانحناء لتسهيل التفاعل السلس بين الإنسان والروبوت. يؤكد التحقق من الصحة من خلال التجارب التي تشمل كلا من المتطوعين الأصحاء ومرضى السكتة الدماغية على فعالية وموثوقية الدراسة المقترحة.
Abstract
في هذه الدراسة ، نقدم طرفا روبوتيا فائقا مرنا يمكن ارتداؤه يساعد مرضى السكتة الدماغية المزمنة في إعادة تأهيل الأصابع وحركات الإمساك. يستمد تصميم هذا الطرف المبتكر الإلهام من ثني العضلات الهوائية والخصائص الفريدة لطرف جذع. إنه يركز بشدة على العوامل الحاسمة مثل البناء خفيف الوزن ، والسلامة ، والامتثال ، والعزل المائي ، وتحقيق نسبة عالية من الإنتاج إلى الوزن / الضغط. يمكن الهيكل المقترح الطرف الآلي من أداء كل من الإمساك بالمغلف وأطراف الأصابع. يتم تسهيل التفاعل بين الإنسان والروبوت من خلال مستشعر الانحناء المرن ، واكتشاف حركات أصابع مرتديها وربطها بالتحكم في الحركة عبر طريقة تجزئة العتبة. بالإضافة إلى ذلك ، فإن النظام محمول للاستخدام اليومي متعدد الاستخدامات. للتحقق من فعالية هذا الابتكار ، تم إجراء تجارب في العالم الحقيقي شملت ستة مرضى بالسكتة الدماغية المزمنة وثلاثة متطوعين أصحاء. تشير التعليقات الواردة من خلال الاستبيانات إلى أن الآلية المصممة تحمل وعدا هائلا في مساعدة مرضى السكتة الدماغية المزمنة في أنشطتهم اليومية ، مما قد يؤدي إلى تحسين نوعية حياتهم ونتائج إعادة التأهيل.
Introduction
وفقا للبحث السابق1 ، اعتبارا من عام 2019 ، كان هناك أكثر من 100 مليون حالة من السكتة الدماغية في جميع أنحاء العالم. ما يقرب من ثلثي هذه الحالات أدت إلى عقابيل شلل نصفي ، وأكثر من 80 ٪ من مرضى السكتة الدماغية النصفية الشديدة لم يتمكنوا من استعادة وظيفة اليد والذراع بشكل كامل2. علاوة على ذلك ، من المتوقع أن يستمر شيخوخة السكان في النمو في العقود القادمة ، مما يؤدي إلى زيادة كبيرة في عدد ضحايا السكتة الدماغية المحتملين. يمكن أن تؤثر إعاقات الأطراف العلوية المستمرة بعد السكتة الدماغية بشكل كبير على أنشطة الحياة اليومية (ADLs) ، وقد تم الاعتراف سريريا بإعادة تأهيل اليد كهدف حاسم لتعزيز نشاط ومشاركة مرضى السكتة الدماغية المزمنة3.
يمكن أن توفر أجهزة الأطراف العلوية الروبوتية التقليدية التي تعمل بمحركات قوة دافعة كبيرة ، لكن هياكلها الصلبة غالبا ما تترجم إلى أحجام كبيرة وأوزان عالية. علاوة على ذلك ، فإنها تشكل خطر التسبب في ضرر لا رجعة فيه لجسم الإنسان إذا تعطلت. في المقابل ، أظهرت المحركات الهوائية اللينة إمكانات كبيرة في إعادة التأهيل4 ، والمساعدة5 ، والتطبيقات الجراحية6. تشمل مزاياها السلامة والبناء خفيف الوزن والامتثال المتأصل.
في السنوات الأخيرة ، ظهرت العديد من الروبوتات المرنة القابلة للارتداء وصممت وطورت حول مشغلات تعمل بالهواء المضغوط الناعم. تم تصميم هذه الروبوتات لإعادة التأهيل والمساعدة بعد إعادة التأهيل للأطراف العلوية لمرضى السكتة الدماغية. وهي تشمل في المقام الأول الهياكل الخارجية لليد7,8 ، والأطراف الزائدة 9,10. على الرغم من أن كلاهما يستخدم في مجالات الروبوتات القابلة للارتداء وإعادة التأهيل ، إلا أن الأول يتفاعل بشكل مباشر مع جسم الإنسان ، مما قد يقيد العضلات أو المفاصل ، بينما يكمل الأخير مساحة العمل البشرية أو الحركة دون قيود مباشرة11,12. تم تطوير أصابع روبوتية زائدة يمكن ارتداؤها تعتمد على محركات مؤازرة لمساعدة المعالجين المهنيين في أنشطة تدريب الحياة اليومية (ADLs)9. يمكن العثور على نهج مماثل في أبحاث أخرى10. أدخلت هاتان الفئتان من الأصابع الروبوتية إمكانيات جديدة لتطبيق مثل هذه الروبوتات في مساعدة إعادة تأهيل مرضى شلل نصفي. ومع ذلك ، تجدر الإشارة إلى أن الهيكل الصلب المستخدم في هذه التصميمات الروبوتية قد يقدم اعتبارات محتملة فيما يتعلق براحة المستخدم وسلامته. تم تقديم تصميم وتصنيع وتقييم قفاز روبوتي ناعم يمكن ارتداؤه13 ، والذي يمكن استخدامه لإعادة تأهيل اليد والتدريب الخاص بالمهمة أثناء التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي (fMRI). يستخدم القفاز مشغلات هوائية ناعمة مصنوعة من اللدائن المصنوعة من السيليكون لتوليد حركة مفصل الإصبع ، والجهاز متوافق مع التصوير بالرنين المغناطيسي دون التسبب في حدوث قطع أثرية في صور الرنين المغناطيسي الوظيفي. قدم Yun et al. Exo-Glove PM ، وهو قفاز مساعد هوائي ناعم قابل للتخصيص يستخدم نهجا قائما على التجميع14. يتميز هذا التصميم المبتكر بوحدات صغيرة ومسافات قابلة للتعديل بينها ، مما يسمح للمستخدمين بتخصيص القفاز بناء على طول الكتائب باستخدام الفواصل. يعمل هذا النهج على زيادة الراحة والأداء دون الحاجة إلى التصنيع المخصص. قدم الباحثون مشغلات ناعمة تتكون من مواد مرنة مع قنوات متكاملة تعمل كشبكات هوائية15. تولد هذه المشغلات حركات انحناء تتوافق بأمان مع حركات الأصابع البشرية. بالإضافة إلى ذلك ، قدم الباحثون AirExGlove ، وهو جهاز هيكل خارجي ناعم خفيف الوزن وقابل للتكيف16. هذا النظام فعال من حيث التكلفة وقابل للتخصيص لأحجام اليد المختلفة ، وقد نجح في استيعاب المرضى الذين يعانون من مستويات متفاوتة من التشنج العضلي. إنه يوفر حلا أكثر راحة ومرونة مقارنة بالأنظمة الروبوتية المرتبطة بالصلبة. في حين أن هذه الدراسات قدمت مساهمات كبيرة في تطوير إعادة تأهيل اليد المرنة القابلة للارتداء والروبوتات المساعدة ، تجدر الإشارة إلى أن أيا منها لم يحقق قابلية كاملة والتحكم في التفاعل بين الإنسان والروبوت.
استكشفت العديد من الدراسات العلاقة بين الإشارات البيولوجية ، مثل مخطط كهربية الدماغ (EEG) 17 أو إشارات مخطط كهربية العضل (EMG)18 ، والنية البشرية. ومع ذلك ، فإن كلا النهجين لهما قيود معينة ضمن قيود الأجهزة الحالية والظروف التكنولوجية. تتطلب الأقطاب الكهربائية الغازية إجراءات جراحية على جسم الإنسان ، بينما تعاني الأقطاب الكهربائية غير الغازية من مشاكل مثل مستويات الضوضاء العالية وعدم الموثوقية في اكتساب الإشارة. يمكن العثور على مناقشات مفصلة لهذه القيود في الأدبيات19،20. لذلك ، فإن متابعة البحث في قابلية النقل وقدرات التفاعل بين الإنسان والآلة سهلة الاستخدام للأطراف الروبوتية المرنة القابلة للارتداء لا تزال ذات أهمية كبيرة.
في هذه الدراسة ، تم تصميم وتصنيع طرف روبوتي مرن فريد يمكن ارتداؤه لمساعدة مرضى السكتة الدماغية المزمنة في إعادة تأهيل الأصابع والمساعدة في الإمساك بها. يتميز هذا الطرف الآلي بخفة وزنه ، والسلامة ، والامتثال ، والعزل المائي ، ونسبة الإخراج إلى الوزن / الضغط المثيرة للإعجاب. تم تحقيق وضعين للإمساك ، المغلف والإمساك بأطراف الأصابع ، مع الحفاظ على قابلية النقل وضمان تفاعل سهل الاستخدام بين الإنسان والروبوت. يفصل البروتوكول عملية تصميم وتصنيع القابض الهوائي والمخطط القابل للارتداء. بالإضافة إلى ذلك ، تم اقتراح طريقة تفاعل بين الإنسان والروبوت تعتمد على مستشعرات الانحناء المرنة ، مما يسمح بالتحكم المريح وسهل الاستخدام من خلال تجزئة العتبة. تم التحقق من صحة كل هذه الجوانب من خلال التجارب العملية.
تم تلخيص المساهمات الرئيسية لهذه الدراسة على النحو التالي: (1) تم تصميم وتصنيع طرف روبوتي مرن خفيف الوزن وودود ويمكن ارتداؤه لمرضى السكتة الدماغية المزمنة. (2) تم تحقيق طريقة موثوقة للتفاعل بين الإنسان والروبوت بناء على مستشعرات الانحناء المرنة. (3) أجريت تجارب في العالم الحقيقي للتحقق من فعالية وموثوقية الآلية والطريقة المقترحة ، والتي تشمل اختبار قوة الإخراج وتشمل ستة مرضى بالسكتة الدماغية المزمنة.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
تمت الموافقة على هذا البروتوكول من قبل مجلس مراجعة الأخلاقيات في مستشفى الاتحاد ، كلية تونغجي الطبية ، جامعة هواتشونغ للعلوم والتكنولوجيا. واختير المرضى الذين يعانون من اضطرابات وظيفية في الأطراف العلوية والذين يستوفون معايير التشخيص ويتلقون العلاج في قسم إعادة التأهيل في قسم إعادة التأهيل في وحدات العيادات الخارجية والمرضى الداخليين في مستشفى صاحب البلاغ كمشاركين. تم تقييم استعادة الوظيفة الحركية للمرضى وفقا لمراحل تعافي برونستروم21 ، وتم اختيار المرضى في المراحل 3-5 للمشاركة في التجارب. تم الحصول على موافقة خطية مستنيرة من المرضى الذين شاركوا في الدراسة. يتضمن الإجراء تصميم القالب للقابض الهوائي ، وعملية تصنيع القابض الهوائي على أساس مطاط السيليكون المعالج ، وتكامل الأجهزة المحمولة ، وتنفيذ البرامج والأجهزة للكشف عن نية الفهم. باستثناء مطاط السيليكون والأقمشة الشائعة ، يتم إنتاج جميع المكونات القابلة للارتداء باستخدام تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد (انظر ملفات الترميز التكميلية 1-5).
1. تصميم وتصنيع القابض الهوائي
- قم بتجميع القالبالمصمم مسبقا 22 كما هو موضح في الشكل 1 أ ، ب. ثم استخدم الغراء الذائب الساخن لتأمين الألياف الزجاجية في المواضع المحددة في القالب ، كما هو موضح في الشكل 1C. تأكد من استخدام الغراء الذائب الساخن لإغلاق أي مناطق محتملة قد تسبب تسرب السيليكون.
- قم بوزن كمية مناسبة من المكون A والمكون B من مطاط السيليكون (9: 1 بالوزن) (انظر جدول المواد) ، واخلطهما بالنسب المحددة. بعد الخلط ، استخدم آلة خلط وتفريغ الفراغ بقوة طرد مركزي متغيرة ، يحددها البرنامج الداخلي المحدد مسبقا للآلة. بمجرد أن يصبح الخليط جاهزا ، قم بحقنه على الفور في القالب المجمع ، كما هو موضح في الشكل 1 د.
ملاحظة: يتم التحكم في قوة الطرد المركزي المتغيرة بواسطة آلة الخلط والتفريغ بالفراغ من خلال برنامجها الداخلي المحدد مسبقا (انظر جدول المواد). يجب زيادة قوة الطرد المركزي بشكل تدريجي لضمان الخلط الشامل لمطاط السيليكون وإزالة أي فقاعات هواء محاصرة. - اترك القالب لمدة 30 ثانية تقريبا ، ثم ضعه في مجفف فراغ لمدة 1 دقيقة لتمكين أي فقاعات هواء صغيرة في مطاط السيليكون من الهروب. قم بإزالة القالب من المجفف وضعه ككل في غرفة ثرموستاتية مضبوطة على 30 درجة مئوية لمدة 12 ساعة ، مما يسمح لمطاط السيليكون بالمعالجة.
- كرر الخطوات الموضحة في الخطوة الثانية عن طريق حقن مطاط السيليكون المختلط في القالب الموضح في الشكل 1E. بعد ذلك ، ضع الجسم المطاطي المفكك الموضح في الشكل 1F في القالب المملوء بمطاط السيليكون. ضع المجموعة بأكملها في غرفة ثرموستاتية مضبوطة على 30 درجة مئوية لمدة 12 ساعة للسماح لمطاط السيليكون بالمعالجة.
- قم بإزالة جسم مطاط السيليكون المعالج من القالب وقم بإزالة أي مطاط سيليكون زائد. اكتمل الآن تصنيع القابض المرن.
ملاحظة: يتكون التجويف من مجموعتين من الشبكات الهوائية المستقلة عن بعضها البعض. نظرا للاختلاف الكبير في معامل المرونة بين الألياف الزجاجية والهيكل المموج ، ينحني القابض الهوائي إلى الداخل عند نفخه ، مما يسمح بإجراءات الإمساك بالمغلف. تم تصميم طرف الإصبع مع نتوء يشبه جذع ، مما يتيح إجراءات الإمساك بأطراف الأصابع.
2. تجميع الطرف الروبوتي المرن القابل للارتداء
ملاحظة: يشتمل الطرف الروبوتي الزائد القابل للارتداء على مضخة هواء صغيرة ، وصمامات هواء ، وكمبيوتر صغير أحادي الشريحة ، وقابض هوائي ، ومصدر طاقة ، وأجهزة استشعار ثني مرنة ، وقفاز يمكن ارتداؤه ، وملحقات للتوصيلات الهوائية والكهربائية (انظر جدول المواد) ، كما هو موضح في الشكل 2.
- اصنع القفاز القابل للارتداء بدقة بمساعدة خياط. تأكد من أنه يخضع لتكرارات وتحسينات متعددة بناء على ملاحظات مرتديها وتجربة الخياط.
- قم بتأمين القابض الهوائي بأجزاء مطبوعة 3D وإرفاقه بالموضع المناسب على القفاز باستخدام شريط لاصق.
- قم بتضمين ثلاثة مستشعرات ثني مرنة (انظر جدول المواد) كما هو موضح في الشكل 3 في القفاز. ضعها على السبابة والوسطى والبنصر ، على التوالي ، مع محاذاتها مع مؤخرة الأصابع. استخدم بطاقة الحصول على البيانات لتسجيل الإشارات من أجهزة الاستشعار.
- قم بتضخيم إشارات المستشعر وتوجيهها إلى Arduino (انظر جدول المواد). قم بمعالجة هذه الإشارات باستخدام نافذة منزلقة وتصفية المربعات الصغرى داخل Arduino23. استخدم هذه القيم المقدرة كبيانات أساسية لاكتشاف النية.
- ضع مكونات مثل مضخة الهواء وصمامات الهواء ولوحة التحكم ومصدر الطاقة في حقيبة ظهر لسهولة النقل. ارجع إلى الشكل 4 للحصول على تمثيل مرئي لتأثير التآكل.
3. الكشف عن نية الإمساك
ملاحظة: عندما تولد أصابع مرتديها حركة ، تتغير إشارة ملاحظات المستشعر وفقا لذلك. وهو يعمل عن طريق زيادة المقاومة في الدائرة حيث ينحني المكون أكثر. يوضح الشكل 5 قيم الإشارة المسجلة لمستشعر الانحناء المرن أثناء حركة إصبع أحد المتطوعين. تتوافق المنحنيات الثلاثة مع الإشارات التي تم الحصول عليها من أجهزة الاستشعار الموضوعة على الأصابع الثلاثة. غالبا ما يكون لدى المرضى الذين يعانون من شلل نصفي حركة إصبع محدودة ، لكن المستشعر قادر على اكتشاف تغييرات كبيرة.
- اجمع البيانات حول نطاق ونمط تغييرات المستشعر أثناء حركات الأصابع. حدد قيم العتبة المناسبة بناء على سعة المستشعر المكتشفة للتحكم في تنشيط المضخة. اطلب من المشاركين تحريك أصابعهم بحرية ضمن نطاق قدراتهم. حدد قيم العتبة كمتوسطات قيم الذروة والوادي لردود فعل المستشعر.
ملاحظة: عندما تتجاوز إشارة المستشعر قيمة العتبة المحددة ، تبدأ المضخة في العمل. يزداد ضغط الهواء مع انحناء الأصابع أكثر. على العكس من ذلك ، عندما تنخفض زاوية انحناء الأصابع ، ويكتشف المستشعر إشارة أقل من العتبة ، يقوم صمام الهواء بتحرير الضغط إلى الصفر ، ويتم إطلاق القابض الهوائي. - اطلب من المستخدم مراقبة حالة القابض الهوائي وتحديد الوقت المناسب للتوقف عن نفخ الهواء والتوقف عن ثني الإصبع.
- كرر الاختبارات المذكورة أعلاه لتحديد عتبة معقولة والتعرف على استخدام هذا الجهاز.
4. اختبار الجهاز مع متطوعين أصحاء
- قم بتجنيد ثلاثة متطوعين أصحاء يتمتعون بقدرات حركية طبيعية للأطراف العلوية للدراسة لتأكيد تأثيرات التآكل والإمساك بالنموذج الأولي.
- اضبط الحد الأقصى لضغط الهواء للقابض الهوائي على 100 كيلو باسكال. اطلب من المشاركين ثني أصابعهم وتمديدها. اطلب من المشاركين ارتداء النموذج الأولي وإجراء تجارب الإمساك والإطلاق على أشياء ذات أشكال مختلفة باستخدام الطريقة المذكورة سابقا.
- اطلب تعليقات من مرتديها فيما يتعلق بتجربتهم واضبط نظام الارتداء بناء على اقتراحاتهم.
ملاحظة: كما هو موضح في الشكل 6 ، نجح المشاركون في تغليف واستيعاب أشياء أسطوانية بأحجام مختلفة باستخدام النموذج الأولي. بالإضافة إلى ذلك ، أكملوا أيضا مهام الإمساك بأطراف الأصابع على أشياء مستطيلة الشكل على شكل كتلة.
5. إعادة التأهيل وفهم المساعدة للمرضى
- تقييم استعادة الوظيفة الحركية للمرضى وفقا لمراحل التعافي برونستروم21 من قبل المهنيين الطبيين. اسمح فقط للمرضى في المراحل 3-5 بالمشاركة في التجارب للتدريب على إعادة التأهيل أو المساعدة اليومية.
- قم بتجنيد ستة مرضى مزمنين يعانون من شلل نصفي للتحقق من موثوقية وفعالية النموذج الأولي. اطلب من المرضى ارتداء القفاز بشكل مستقل (باستثناء حقيبة الظهر) وتحريك أصابعهم ضمن نطاق قدرتهم على معايرة قيم العتبة.
- خلال مرحلة إعادة التأهيل ، شجع المرضى على الانخراط في مهام الإمساك المختلفة لتمرين عضلات أصابعهم. اطلب من المرضى الجلوس على حافة الطاولة واستخدام النموذج الأولي لأداء سلسلة من أنشطة الإمساك ، بما في ذلك الإمساك بزجاجة ماء وموز ومكعب وفرشاة أسنان.
- اطلب من المرضى إكمال استبيانات المسح ذات الصلة (الملف التكميلي 1) بناء على تجاربهم الشخصية بعد التجربة. تقييم المشاعر الذاتية الستة التالية: الثقة في وظيفة النظام ؛ سهولة الاستعمال؛ الراحة والراحة في ارتدائه ؛ فعالية وفائدة إعادة التأهيل ؛ الفعالية والفائدة في الحياة اليومية ؛ المجالات التي لا تزال بحاجة إلى تحسين.
- قيم إجاباتهم على مقياس من 1 إلى 5 ، حيث يمثل 1 لا أوافق بشدة و 5 يمثل موافق بشدة. تسجيل البيانات وتحليل المشكلات المتعلقة بالنموذج الأولي والمجالات المحتملة للتحسين بناء على الاستبيان.
ملاحظة: هذا لا يضيف اهتماما إلى تدريب إعادة التأهيل فحسب ، بل يعزز أيضا رغبة المريض في المشاركة في عملية الشفاء. في الحالات التي وصل فيها المرضى إلى حالة مستقرة ولكنهم ما زالوا يكافحون لأداء مهام الإمساك بأصابعهم ، يمكن أن يساعد استخدام الطرف الآلي في تنفيذ بعض إجراءات الإمساك اليومية المطلوبة للحياة اليومية.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
تجارب قوة الإخراج
يصور الشكل 7 بوضوح التصميم الهيكلي وأبعاد المشغل الخاص بنا ، مما يوفر توضيحا مقطعيا. يتكون هذا المشغل من مجموعتين متميزتين من الغرف ، تحتوي كل منهما على خمس غرف هواء منحنية بأناقة. بشكل ملحوظ ، في نهاية المشغل ، قمنا بدمج هيكل بارز ببراعة ، يذكرنا بطرف جذع ، مما أدى إلى توسيع نصف قطر الإمساك بالمشغل بشكل كبير.
لتقييم قوة خرج المشغل الهوائي الناعم ، تم إجراء سلسلة من تجارب الإمساك الثابتة. تم اختيار الأوزان التي تزن بشكل فردي 20 جم و 50 جم و 100 جم و 200 جم و 500 جم. بعد وضع المشغل ونفخه بشكل مناسب ، تم رفعه لأعلى بعد انحناءه وتغليف الأوزان لتقييم الانزلاق. النتائج التجريبية موضحة في الشكل 8 ، حيث يمثل الشكل 8A-C النتائج التجريبية للإمساك بأطراف الأصابع ، بينما يعرض الشكل 8D-F النتائج التجريبية للإمساك بالمغلف.
في ظروف الإمساك الستة المذكورة أعلاه ، تراوح ضغط الهواء المدخل إلى المشغل من 0.62 ميجا باسكال إلى 0.94 ميجا باسكال. نظرا للاختلافات في عمليات التصنيع وهيكل الطبقة المقيدة بين المحركات المختلفة ، قد يختلف هذا النطاق العددي باختلاف المحركات. بالنظر إلى أن المشغل نفسه يزن 63 جراما فقط ، يمكن إثبات أن هذه المشغلات تظهر نسبة كبيرة من قوة الخرج إلى الوزن / ضغط الهواء. علاوة على ذلك ، كما هو موضح في الشكل 8F ، يمكن ملاحظة أنه مع زيادة الحمل ، يخضع المشغل لتشوه كبير أثناء عملية الإمساك. ويعزى ذلك إلى الصلابة المحدودة للمشغل الناعم نفسه.
التقييم الذاتي من المرضى
يعرض الشكل 9 نتائج مسح الاستبيان من ستة مرضى. من الواضح أن هناك إجماعا بين غالبية المشاركين فيما يتعلق بالراحة وسهولة الاستخدام للنظام القابل للارتداء المصمم. ومع ذلك ، فإن الشذوذ المميز ، المشارك 5 ، يوفر تقييما أقل ملاءمة بشكل عام ويثير مخاوف كبيرة بشأن الجهاز. والجدير بالذكر أن الإجابات على السؤال الأول تظهر تباينا كبيرا بين المشاركين ، والذي يمكن أن يعزى إلى الاختلافات في حالة استعادة اليد ومنحنى التعلم المرتبط باستخدام الآلة. علاوة على ذلك، يظهر شعور سائد بالشك بين معظم المشاركين فيما يتعلق بوظائف النظام في حياتهم اليومية، مما يؤكد على نطاق التحسينات الجوهرية في الجهاز.
الشكل 1: تصنيع المحرك وتجميعه. (A-C) يوضح هيكل القالب وإجراءات التجميع المستخدمة في عملية تصنيع المشغل. (د) يوضح الحالة بعد صب مطاط السيليكون، مما ينتج عنه مجموعتان من الغرف. (ه) و(و) يعرضان قالب إحكام إغلاق القاع وناتج التجميع المقابل. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 2: الطرف الروبوتي الزائد. يعرض هذا الشكل جميع مكونات الأجهزة المضمنة في الطرف الآلي الزائد ، باستثناء حقيبة الظهر المحمولة. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 3: مستشعر فليكس. نظرة عامة على مستشعر الانحناء المرن المضمن في القفاز. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 4: تأثير ارتداء النموذج الأولي. يوضح هذا الشكل تأثير التآكل الكلي للنموذج الأولي. الكتلة الإجمالية لجزء تآكل الذراع أقل من 300 جم. الرجاء الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 5: إشارات مستشعر الانحناء المرنة. يقدم هذا الشكل قسما من قيم المستشعر المسجلة عندما يرتدي المريض القفاز ويحرك أصابعه بحرية. تتوافق المنحنيات الثلاثة مع الإشارات التي تم الحصول عليها من أجهزة الاستشعار الموضوعة على الأصابع الثلاثة. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 6: استيعاب التجارب من قبل متطوعين أصحاء. (A-C) يوضح تأثير القابض الهوائي الذي يمسك بثلاثة أحجام مختلفة من الأسطوانات. (د) يوضح تأثير الإمساك بجسم مستطيل الشكل على شكل كتلة. في (A) و (C) ، يكون وضع التشغيل ممسكا بالمغلف. في (B) و (D) ، يكون وضع التشغيل ممسكا بأطراف الأصابع. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 7: أبعاد وهيكل مستشعر الانحناء المرن. توضح هذه الصورة الأبعاد الرئيسية وهيكل مستشعر الانحناء المرن. يوفر معلومات عن سمك جدار المشغل والأبعاد الخارجية وأحجام الغرف ، بما في ذلك عرض مقطعي لهيكل المشغل. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 8: النتائج التجريبية لقوى الخرج. (A-C) تظهر نتائج الإمساك بأطراف الأصابع بأوزان حمولة 20 جم و 50 جم و 100 جم على التوالي. (D-F) عرض نتائج الإمساك المغلفة مع أوزان الحمل من 200 غرام و 500 غرام و 700 غرام ، على التوالي ، في وضعين للإمساك. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 9: نتائج مسح الاستبيان. يتم عرض نتائج مسح استبيان من ستة مرضى. تتراوح التصنيفات من 1 إلى 5 ، حيث تعني 1 "لا أوافق تماما" ، و 5 تعني "موافق تماما". يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الملف التكميلي 1: أسئلة للمرضى بناء على تجاربهم الشخصية بعد التجربة. الرجاء الضغط هنا لتنزيل هذا الملف.
ملفات الترميز التكميلية 1-5: تصميمات لتصنيع المكونات القابلة للارتداء باستخدام تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد. الرجاء الضغط هنا لتنزيل هذا الملف.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
تقدم هذه الدراسة طرفا روبوتيا مبتكرا ومرنا ويمكن ارتداؤه مصمما لمساعدة مرضى السكتة الدماغية المزمنة في إعادة تأهيل الأصابع ومهام الإمساك. يعطي هذا النظام الروبوتي الأولوية لقابلية النقل ويوفر وظائف الإمساك بالمغلف والإمساك بأطراف الأصابع. وهو يشتمل على مستشعر ثني مرن للتحكم في التفاعل بين الإنسان والآلة سهل الاستخدام. تتحقق تجارب الإمساك الثابتة من صحة قدرات الإمساك للآلية المصممة في وضعين متميزين للإمساك. تتضمن الدراسة تجارب مع مرضى مصابين بنصف الرحم لتأكيد وظيفة الإمساك وتقييم تجربة المستخدم ، وعرض إمكانات هذا الروبوت في مساعدة مرضى السكتة الدماغية المزمنة أثناء أنشطة إعادة التأهيل والاستيعاب.
في سياق هذا البحث ، يمكن تلخيص الخطوات الإجرائية الحاسمة بإيجاز على النحو التالي: (1) أثناء عملية حقن السيليكون في القالب ، من الضروري الحفاظ على سرعة الحقن المثلى. قد يؤدي الحقن السريع بشكل مفرط إلى وفرة فقاعات الهواء ، في حين أن الحقن البطيء بشكل مفرط قد يضر بسيولة السيليكون. (2) بعد حقن السيليكون ، يمكن إزالة فقاعات الهواء الدقيقة داخل السيليكون باستخدام مضخة تفريغ. ومع ذلك ، من الضروري توخي الحذر وتجنب التعرض الطويل لمضخة التفريغ ، لأن هذا قد يؤدي إلى فيضان السيليكون. (3) لضمان تساوي الحركة في المشغلات المصنعة ، من الأهمية بمكان الحفاظ على درجة عالية من التماثل في تأمين الألياف الزجاجية. (4) قبل التجريب ، يكون التحقق الدقيق من إحكام الإغلاق للمشغلات وسلامة المعدات المرتبطة بها ، بما في ذلك مضخة الهواء ، إلزاميا. يضمن هذا الإجراء الوقائي بقاء الدائرة خالية من أي خطر من قصر الدائرة. (5) نظرا للتباين الكبير بين المرضى من حيث ظروفهم الطبية والاختلافات الكبيرة في أبعاد اليد بسبب الفوارق بين الجنسين ، فإن إنتاج القفازات بأحجام مختلفة أمر لا غنى عنه لتلبية الاحتياجات الفردية.
في مجال تصنيع المشغل ، يشكل ضمان الاتساق الهيكلي تحديا كبيرا. نظرا للقيود المتأصلة في قولبة المواد المرنة وتحديد موضع الطبقة المحدودة غير الدقيق ، قد تنشأ مشكلات مثل أداء المشغل غير المتسق وعدم التماثل24. علاوة على ذلك ، في حين أن هذه المحركات تظهر امتثالا طبيعيا ، فإن صلابتها المنخفضة تمثل قيدا يعيق المزيد من التطوير. في سياق الهيكل المصمم في هذه الدراسة ، تخضع المشغلات لتشوه كبير عند تعرضها لحمل 0.7 كجم ، مما يعوق قدرتها على التعامل مع مهام الإمساك الثقيلة. إلى جانب ذلك ، يظل التحكم الدقيق في القوة بين المشغلات والحمل يمثل مشكلة صعبة25,26. بالمقارنة مع الأيدي البشرية ، التي تمتلك القدرة على أداء الإجراءات والقدرة على إدراك البيئة الخارجية القوية ، فإن هيكل التشوه المستمر ، واستشعار القوة المرن ، والاستشعار عن طريق اللمس كانت تحديات مستمرة في التطبيقات ذات الصلة.
من حيث الوظيفة ، فإن القابض الهوائي الحالي لديه قدرات محدودة في تحقيق إجراءات الإمساك المختلفة. في المقابل ، تتفوق الأيدي البشرية في الإمساك بالعديد من الأشياء المعقدة الشكل وأداء أعمال معقدة مثل التمزيق والتحريك والتلطيخ24,27. يشكل توسيع نطاق وظائف الإمساك تحديا كبيرا للقابضين الهوائيين. علاوة على ذلك ، على الرغم من أن هذه الدراسة تقترح هيكلا محمولا ، إلا أن مضخة الهواء المصغرة المستخدمة تولد مستويات ضوضاء عالية نسبيا وتوفر تدفقا صغيرا لغاز الإخراج ، مما يؤدي إلى تفاقم تأثيرات التشوه المرنة الحالية. لذلك ، فإن تطوير مصدر هواء مصغر هادئ وأكثر كفاءة هو قضية أخرى تحتاج إلى معالجة.
خلال تجارب المرضى ، لاحظ الباحثون أن المشاركين كانوا عرضة لتجربة تشنجات الأصابع. على وجه التحديد ، أظهر المرضى انخفاضا تدريجيا في حركة الأصابع ولم يتمكنوا من إكمال حركات تمديد الإصبع والانثناء لأنهم قضوا وقتا أطول في التجربة. لذلك ، هناك حاجة إلى مزيد من الاستكشاف للكشف عن حالات الأصابع غير الطبيعية في المرضى وتقديم الدعم أو التذكير المناسب. بالإضافة إلى ذلك ، نظرا لأن المرضى الذين يعانون من شلل نصفي لا يمكنهم ضبط وضع أطرافهم العلوية بحرية مثل الأفراد الأصحاء ، فإن معظم المرضى يحافظون على أذرعهم في وضع أمامي. ينتج عن هذا عدم تطابق جزئي بين مخطط التآكل الحالي وحالة الأطراف المصابة للمرضى ، مما يؤدي إلى تداخل بين المحركات وأذرع المرضى.
في هذه الدراسة ، فإن استراتيجية التفاعل بين الإنسان والآلة التي صممناها مناسبة فقط للمرضى في المراحل 3-5. وذلك لأن المرضى في المراحل المبكرة لديهم قوة عضلية أعلى للإصبع ولا يمكنهم أداء حركات تمديد الإصبع وانثنائه. لذلك ، لا تزال هناك قيود كبيرة على استراتيجية التفاعل بين الإنسان والآلة القائمة على حركات الأصابع.
باختصار ، هناك العديد من القضايا الصعبة التي يجب معالجتها في البحث عن الأطراف الروبوتية الزائدة عن العدد القابلة للارتداء ، بما في ذلك التصميم الهيكلي للمشغلات اللينة ، ونمذجة الإدراك ، والتحكم في قوة التفاعل ، واستراتيجيات التفاعل بين الإنسان والآلة للأطراف الروبوتية القابلة للارتداء ، وتصميم مخطط يمكن ارتداؤه. هذه التحديات تتطلب الاستكشاف المستمر من قبل الباحثين في مجال الروبوتات القابلة للارتداء.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
ليس لدى المؤلفين ما يكشفون عنه.
Acknowledgments
يتم دعم هذا العمل من قبل المؤسسة الوطنية للعلوم الطبيعية في الصين في إطار Grant U1913207 وبرنامج فريق شباب الحدود الأكاديمية HUST. يود المؤلفون أن يشكروا الدعم المقدم من هذه المؤسسات.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Air Compressor | Xinweicheng | F35L-JJ-24V | Provide air supply for the pneumatic gripper |
| Arduino | Emakefun | Mega 2560 | Single-chip microcomputer/data acquisition card |
| Backpack | Mujin | Integrating external devices | |
| Flex Sensor | Spectra Symbol | Flex Sensor 2.2 | Flexible bending sensors |
| Power supply | Yisenneng | YSN-37019200 | Provide power |
| PU quick-plug connector | Elecall | PU-6 | Connector for PU tube |
| PU tube | Baishehui | ZDmJKJJy | Air line connection |
| Silicone elastomer | Wacker | ELASTOSIL M4601 A/B | Material of the pneumatic gripper |
| Thermostatic chamber | Ruyi | 101-00A | Constant temperature to accelerate the curing of silicone |
| Vacuum dryer | Fujiwara | PC-3 | Further defoaming |
| Vacuum mixing and degassing machine | Smida | TMV-200T | Mix silicone thoroughly and get it defoamed |
| Valve | SMC | NTV1030-312CL | Control the air pressure |
References
- Feigin, V. L., et al. Global, regional, and national burden of stroke and its risk factors, 1990-2019: A systematic analysis for the global burden of disease study 2019. The Lancet Neurology. 20 (10), 795-820 (2021).
- Nakayma, H., Jørgensen, H. S., Raaschou, H. O., Olsen, T. S. Compensation in recovery of upper extremity function after stroke: The copenhagen stroke study. Archives of Physical Medicine and Rehabilitation. 75 (8), 852-857 (1994).
- Faria-Fortini, I., Michaelsen, S. M., Cassiano, J. G., Teixeira-Salmela, L. F. Upper extremity function in stroke subjects: Relationships between the international classification of functioning, disability, and health domains. Journal of Hand Therapy. 24 (3), 257-265 (2011).
- Al-Fahaam, H., Davis, S., Nefti-Meziani, S., Theodoridis, T. Novel soft bending actuator-based power augmentation hand exoskeleton controlled by human intention. Intelligent Service Robotics. 11, 247-268 (2018).
- IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA). Thalman, C. M., Hsu, J., Snyder, L., Polygerinos, P. 2019 International Conference on Robotics and Automation (ICRA), , IEEE. 8436-8442 (2019).
- Miron, G., Plante, J. S. Design principles for improved fatigue life of high-strain pneumatic artificial muscles. Soft Robotics. 3 (4), 177-185 (2016).
- IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA). Yun, Y., et al. 2017 IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA), , IEEE. 2904-2910 (2017).
- Tran, P., Jeong, S., Herrin, K. R., Desai, J. P. Hand exoskeleton systems, clinical rehabilitation practices, and future prospects. IEEE Transactions on Medical Robotics and Bionics. 3 (3), 606-622 (2021).
- Dynamic Systems and Control Conference. Ort, T., Wu, F., Hensel, N. C., Asada, H. H. Dynamic Systems and Control Conference, , V002T027A010 American Society of Mechanical Engineers. (2023).
- Hussain, I., et al. A soft supernumerary robotic finger and mobile arm support for grasping compensation and hemiparetic upper limb rehabilitation. Robotics and Autonomous Systems. 93, 1-12 (2017).
- Yang, B., Huang, J., Chen, X., Xiong, C., Hasegawa, Y. Supernumerary robotic limbs: A review and future outlook. IEEE Transactions on Medical Robotics and Bionics. 3 (3), 623-639 (2021).
- Tong, Y., Liu, J. Review of research and development of supernumerary robotic limbs. IEEE/CAA Journal of Automatica Sinica. 8 (5), 929-952 (2021).
- Yap, H. K., et al. A magnetic resonance compatible soft wearable robotic glove for hand rehabilitation and brain imaging. IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering. 25 (6), 782-793 (2016).
- Yun, S. S., Kang, B. B., Cho, K. J. Exo-glove pm: An easily customizable modularized pneumatic assistive glove. IEEE Robotics and Automation Letters. 2 (3), 1725-1732 (2017).
- IEEE International Workshop on Intelligent Robots and Systems (IROS). Polygerinos, P., et al. 2013 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems, , IEEE. 1512-1517 (2013).
- IEEE International Conference on Soft Robotics (RoboSoft). Stilli, A., et al. 2018 IEEE International Conference on Soft Robotics (RoboSoft), , IEEE. 579-584 (2018).
- Zhang, D., et al. Making sense of spatio-temporal preserving representations for eeg-based human intention recognition. IEEE Transactions on Cybernetics. 50 (7), 3033-3044 (2019).
- IEEE International Workshop on Robot and Human Communication (ROMAN). Sirintuna, D., Ozdamar, I., Aydin, Y., Basdogan, C. 2020 29th IEEE International Conference on Robot and Human Interactive Communication (RO-MAN), , IEEE. 1280-1287 (2020).
- 2020 10th Annual Computing and Communincation Workshop and Conferenece (CCWC). Mahmud, S., Lin, X., Kim, J. H. 2020 10th Annual Computing and Communication Workshop and Conference (CCWC), , IEEE. 0768-0773 (2020).
- Asghar, A., et al. Review on electromyography based intention for upper limb control using pattern recognition for human-machine interaction. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part H: Journal of Engineering in Medicine. 236 (5), 628-645 (2022).
- Naghdi, S., Ansari, N. N., Mansouri, K., Hasson, S. A neurophysiological and clinical study of brunnstrom recovery stages in the upper limb following stroke. Brain Injury. 24 (11), 1372-1378 (2010).
- Ru, H., Huang, J., Chen, W., Xiong, C. Modeling and identification of rate-dependent and asymmetric hysteresis of soft bending pneumatic actuator based on evolutionary firefly algorithm. Mechanism and Machine Theory. 181, 105169 (2023).
- Qin, L., Wu, W., Tian, Y., Xu, W. Lidar filtering of urban areas with region growing based on moving-window weighted iterative least-squares fitting. IEEE Geoscience and Remote Sensing Letters. 14 (6), 841-845 (2017).
- Liu, S., et al. A two-finger soft-robotic gripper with enveloping and pinching grasping modes. IEEE/ASME Transactions on Mechatronics. 26 (1), 146-155 (2020).
- Tawk, C., Sariyildiz, E., Alici, G. Force control of a 3D printed soft gripper with built-in pneumatic touch sensing chambers. Soft Robotics. 9 (5), 970-980 (2022).
- Zuo, W., Song, G., Chen, Z. Grasping force control of robotic gripper with high stiffness. IEEE/ASME Transactions on Mechatronics. 27 (2), 1105-1116 (2021).
- Watanabe, T., Morino, K., Asama, Y., Nishitani, S., Toshima, R. Variable-grasping-mode gripper with different finger structures for grasping small-sized items. IEEE Robotics and Automation Letters. 6 (3), 5673-5680 (2021).
